Winterniederschlag

Die Zustandsformen von Niederschlag im Winter vorherzusagen stellt für die Meteorologen immer wieder eine große Herausforderung dar. Entscheidend dafür ist nämlich der Temperatur- und Feuchteverlauf mit der Höhe, wo schon geringfügige Änderungen darüber entscheiden, ob sich Eiskörner, Schneefall oder gefrierender Regen bilden werden.

1. Schneefall

Eiskristalle fallen aus großer Höhe in eine Wolkenschicht mit unterkühltem Flüssigwasser. Wegen dem erniedrigten Sättigungsdampfdruck über Eis entsteht ein Druckgefälle von den Wolkentröpfchen zu den Eiskristallen. Die Tröpfchen lagern sich daher an den Eiskristallen an und fallen als Schneeflocken aus.

1.1 Gewöhnlicher Schneefall

Normaler Schneefall findet bei durchwegs negativen Temperaturen in der Höhe (= keine Schmelzprozesse) statt, etwa wenn wärmere Luft auf kälterer Luft aufgleitet (Warmfront) oder nach Kaltfrontdurchgang mit eingeflossener Polarluft.

Radiosondenaufstieg vom 01.Dezember 2010, 04 Uhr MEZ, Graz-Thalerhof

Das Beispiel zeigt massives Aufgleiten von Warmluft (Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe) auf einen rund 2000m mächtigen Kaltluftbauch (Ostwind).  In höheren Luftschichten bleibt es feucht und die Bildung von Eiskristallen günstig. Starker Schneefall über Stunden hinweg mit über 10 cm Neuschnee war die Folge.

1.2 Schneefall bei deutlichen Plusgraden am Boden

Entscheidend hierfür ist die Feuchteverteilung mit der Höhe. Eine sehr trockene Luftschicht in Bodennähe sorgt für eine bestenfalls sehr niedrige Nullgradgrenze der Feuchttemperatur.

Die Feuchttemperatur ist diejenige Temperatur, die an einem feuchten Thermometer gemessen wird. Sie ist ein Maß für die Verdunstung in der Luft. Durch die Verdunstung wird der Umgebungsluft Wärme entzogen, weswegen die Feuchttemperatur immer niedriger als die Lufttemperatur (der trockenen Luft) ist. Je größer die Differenz zwischen Trocken- und Feuchtthermometer, desto trockener ist die Luft, und desto tiefer herab kann es bei Plusgraden schneien, im Extremfall bis zum Boden herab. Als Faustregel sagt man, dass die Grenze zwischen Schnee und Regen bei einer Feuchttemperatur von 1-1,5°C liegt.

Radiosondenaufstieg vom 27.Jänner 2008, 13 MEZ

Bei diesem Beispiel ist die Vorgeschichte entscheidend! Die Tage vorher führte ein kräftiges Hochdruckgebiet für starkes Absinken und zu ungewöhnlich trockener Luft in den bodennahen Luftschichten. Im Tagesverlauf zog von Nordwesten ein flaches Randtief (Welle) über Süddeutschland und den Alpenraum hinweg, sodass die oberen Luftschichten angefeuchtet wurden. Der Niederschlag fiel in die trockene Schicht, die Nullgradgrenze der Feuchttemperatur lag quasi in den Niederungen. Bei Lufttemperaturen von +8 bis +10°C wurde Schneefall bzw. Schneeregen beobachtet. Dasselbe Randtief verursachte später massive Sturmschäden über Teilen Kärntens und der Steiermark – eine Kombination aus Verdunstungskälte und Nordföhn. In den Medien wurde es später unter dem Namen PAULA geführt.

1.3 Schneefall bei Plusgraden in der Höhe

Der umgekehrte Fall tritt ein, wenn die Luft in Bodennähe bereits sehr feucht ist. Hohe Niederschlagsintensität vorausgesetzt kühlt die Luft durch Entzug von Schmelzwärme ab, wenn die Schneeflocken schmelzen (Verdunstung findet bei relativer Feuchte um 100% nicht statt). Die Nullgradgrenze wandert dabei immer weiter nach unten. Weil es oben schneller abkühlt als weiter unten, kann sich vorübergehend eine labile Schichtung entwickeln, welche der fortschreitenden Abkühlung entgegenwirkt. Das gilt allerdings bei anhaltender Warmluftadvektion, die für Stabilisierung sorgt.

Eine solche Konstellation findet sich fast ausschließlich bei Okklusionsfronten mit Warmfrontcharakter, bei Warmfronten sowie bei Aufgleitprozessen bei Italien- und Adriatiefentwicklungen (Kaltluft bodennah aus Nord, Warmluft vom Mittelmeer). Grund dafür ist, dass keine andere Wetterlage für stabile Schichtung und hohe Niederschlagsintensitäten zugleich sorgen kann. Alpentäler sind begünstigt, weil neben orographischer Verstärkung des Niederschlags das geringere Luftvolumen (im Vergleich zur Ebene) rascher abkühlen kann.

Tiefergehende Erklärungen in dieser Arbeit: Absinken der Schneefallgrenze im Gailtal durch den Entzug von Schmelzwärme

Radiosondenaufstieg von Payerne am 05.April 2006, 14 Uhr MESZ

Das Beispiel vom 5.April, mittags, zeigt eine nahezu isotherme Luftschicht um die Nullgradgrenze zwischen Boden und 2000m. Darüber findet Aufgleiten statt, bodennah Kaltluftadvektion. Geringe Temperaturänderungen in der Höhe entscheiden darüber, ob große Mengen nasser Neuschnee oder Dauerregen zu erwarten sind.

1.4 Industrieschneefall

Industrieschneefall entsteht bei länger anhaltendem Hochdruckeinfluss mit Dauerfrost am Boden und milder Luft in der Höhe. Weitere Voraussetzungen:

  • Temperatur zwischen -5 und -8°C in 200 m Höhe (empirischer Wert)
  • genügend Feuchte in Bodennähe (dichter Nebel)
  • Künstliche Kondensationskeime (Rußpartikel) + Wasserdampf durch Industrieanlagen

Die künstlichen Aerosole fungieren als Ersatz für die fehlende Eiswolken in höheren Luftschichten. Die unterkühlten Wolkentröpfchen treffen nun auf die Rußpartikel und bilden Schneekristalle, die wegen der kurzen Fallstrecke nicht verdunsten und zu Boden fallen. Zudem sorgt die kurze Fallzeit für feinen, nadeligen Schneefall, der lokal begrenzt – nahe Industrieanlagen – auftritt, und somit von gewöhnlichem Schneefall eindeutig unterscheidbar ist.

MODIS Satellitenbild vom 22.Dezember 2007, Sondenaufstieg De Bilt vom 20. Dezember, 13 MEZ

Zwei Tage vor der gezeigten Aufnahme von TERRA vom 22.12.2007 gab es flächendeckend eine Stratusdecke, die für den notwendigen Wasserdampf sorgte. Die hellen Flecken zeigen teils beträchtliche Mengen an Industrieschnee (10 cm und mehr, örtlich sogar über 20 cm) in der Nähe von Städten und Industrieanlagen.

Selbst habe ich geringere Mengen Industrieschneefall schon im Süden Wiens beobachtet (Silvester 2010), auch in Miltenberg wurde er schon unweit der Papierfabrik gesichtet. Tendenziell haben die begünstigenden Wetterlagen in den letzten Jahren abgenommen: Beständige Hochdrucklagen im Winter treten kaum noch auf.

2. Graupel

Eine Übergangsform zwischen Regen und Schneefall, manchmal auch zu Beginn länger andauernden Schneefalls auftretend, stellt Graupel dar.  Graupel ist ebenso wie Hagel konvektiver Natur, bedingt also eine labile Schichtung. Der Hauptunterschied zwischen Graupel und Hagel ist seine Konsistenz, nicht seine Größe. Zwar kursiert in Fachbüchern und im Internet immer wieder der Schwellenwert 0,5 cm, doch kennt die Natur in der Regel keine absoluten Grenzwerte. Graupel ist undurchsichtig, porös, schaut aus wie Styropor und zerfällt beim Aufprall teilweise, während Hagel aus festem Eis besteht, bei trockenem Wachstum undurchsichtig ist und beim Aufprall nicht zerspringt.

Die Unterschiede kommen natürlich durch die Entstehung zustande. Um beim Winterniederschlag zu bleiben: Die Abgrenzung zum Schneefall resultiert aus der labilen Schichtung. Die kräftigen Aufwinde sorgen im Gegensatz zur stabilen Schichtung mit geringen Aufwinden dafür, dass die Eis- bzw. Schneekristalle mehrfach mit Wolkentröpfchen kollidieren, sodass sich Kristallklumpen bilden.

Radiosondenaufstieg von Bergen am 10.Dezember 2011, 13 Uhr MEZ

Beim Durchzug eines markanten Höhentrogs über Skandinavien sorgt Höhenkaltluft für kräftige Schauer, dabei wird auch Graupel beobachtet. Die Schichtung ist bis rund 600 hPa potentiell labil, darüber liegt eine Absinkinversion. Unterkühltes Wasser ist reichlich vorhanden, zudem nur die Bodenschicht im positiven, da durch den kräftigen Wind durchmischten, Bereich liegt.

3. Eiskörner

Hagel und Graupel darf man nicht mit Eiskörnern verwechseln, die dann entstehen, wenn unterkühlte Regentropfen in eine so mächtige Kaltluftschicht am Boden fallen, dass sie während dem Fallen wieder gefrieren. Dies geschah in weiterer Folge des unter 1.1. gezeigten gewöhnlichen Schneefalls, als immer wärmere Luft in der Höhe advehiert wurde.

Radiosondenaufstieg von Zagreb, 01.Dezember 2010, 13 Uhr MEZ

Im unter 1.1. gezeigten Aufstieg befand sich die Warmluftnase knapp unter 700 hPa bei ca. -4°C. Bis zur Mittagszeit arbeitete sich die Warmluft bis auf 800 hPa und +4°C vor, d.h. die Warmluftschicht erwärmte sich um bis zu 8 Kelvin und sank gleichzeitig um rund 800 m ab.

Darunter befand sich aber weiterhin eine mächtige Frostschicht von über 1500 m Dicke. Unterkühlte Regentropfen aus der warmen Nase fielen also in eine frostige Luftschicht und froren zu Eiskörnern an. Wurde um 8.00 noch starker Schneefall aus Graz gemeldet, so beobachtete man um 15.00 Eiskörner, ebenso in Feldbach (südöstliche Steiermark) und Leibnitz (südwestliche Steiermark).

Gegen 16.00 Uhr gingen die Eiskörner in Regen über, bei weiterhin negativen Bodentemperaturen, d.h. mit akuter Glättebildung! Die Warmluftnase war nun soweit abgesunken, dass die Frostschicht zu dünn war, um die Regentropfen frieren zu lassen.

4. Gefrierender Regen

Gefrierender Niederschlag kann Verkehr und Infrastruktur lahmlegen. Im Flugverkehr reichen bereits geringe Mengen bzw. gefrierendes Nieseln aus, um durch Anlagerung unterkühlter Wassertröpfchen an der Außenhaut des Luftfahrzeugs dessen aerodynamischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Im Straßenverkehr sind meist mehr als ein paar Tropfen oder feines Nieseln notwendig, aber bei leichtem gefrierenden Regen kommt der Verkehr ebenso zum Erliegen. Fallen wirklich große Mengen, die sich an Ästen, Blättern, Zweigen, Stromleitungen, etc. ablagern, können flächendeckend große Schäden entstehen, wie Anfang Februar 2014 in Slowenien, wo sich eine 5cm dicke Eisschicht ablagerte. 42% der gesamten Waldfläche (rund 500 000 Hektar) wurden beschädigt (weitere Bilder bzw. Fotostrecken).

Die letzte größere Eisbruchkatastrophe  ereignete sich Anfang Dezember 2014 im Waldviertel bzw. am Alpenvorland. Unsere Wanderung auf den 675m hohen Anninger mussten wir damals abbrechen, als wir die Bäume im Wald umkrachen hörten.

Eisansatz und Reifnadeln am Weg zum Anninger, 02.Dezember 2014

Damals hielt die Konstellation aus Frostluft am Boden bzw. in mittleren Lagen und deutlichen Plusgraden darüber über viele Tage an, mit wechselnder Mächtigkeit der Frostschicht, was neben gefrierenden Niederschlag auch wiederholte Reifbildung zur Folge hatte.

4.1 Maskierte Kaltfront

Von maskierter Kaltfront spricht man, wenn die Luft bodennah vor Kaltfrontdurchgang infolge windschwacher Hochdrucklagen stark abgekühlt hat. Mit Frontdurchgang und auffrischendem Wind wird die Frostluft ausgeräumt und die Temperatur steigt bodennah an, in der Höhe nimmt sie ab. Es wird mit der Kaltfront also wärmer, nicht kälter, daher maskiert. Nicht überall greift der Wind aber zeitgleich mit einsetzendem Niederschlag. Besonders in windgeschützte Tal- und Muldenlagen kann Regen auf gefrorenen Boden fallen und Glatteisbildung auslösen. Wenige Kilometer Distanz können einen großen Unterschied ausmachen, was sich mangels entsprechender Dichte an Wetterstationen nur schwer vorhersagen lässt.

4.2 Warmfront

Während gefrierender Regen bei Kaltfrontdurchgang meist ein lokales Phänomen ist, kann er bei Warmfrontdurchgang flächendeckend auftreten. Warme Luft gleitet auf Kaltluft auf. Aufgrund der stabilen Luftschichtung ist die Durchmischung behindert, die warme Luft setzt sich erst sukzessive bis zum Boden durch und messbarer Niederschlag auf gefrorenen Boden ist möglich.

Emden am 05.Februar 2011, 00z

Der Radiosondenaufstieg von Emden begleitet mich seit der Vorlesung in Flugmeteorologie an der Uni Innsbruck. Er wurde als Lehrbuchfall für Glatteisregen angeführt. Die Bedingungen verwundern nicht:

Ausnehmend schöne Warmluftadvektion und Rechtsdrehung des Windes mit der Höhe (von Ost auf Südwest), warme Nase in 900 hPa und rund 400 m dicke Frostluftschicht. Schuld an dieser Wetterlage hatte ein Skandinavienhoch mit einem Kaltluftkörper an seiner Ostflanke, der mit nordöstlicher Bodenströmung nach Norddeutschland transportiert wurde. Von Westen näherten sich atlantische Tiefdruckgebiete und die übergreifende Warmfront gleitete schließlich auf der zähen Kaltluftschicht am Boden auf.

4.3 Gegenstromlage

Markanter können die Auswirkungen ausfallen, wenn gleichzeitig Warmluftadvektion in der Höhe und Kaltluftadvektion am Boden stattfindet. Dies wird durch die Orographie begünstigt. Während inneralpin die Kaltluftschicht meist mächtig genug ist, damit der Warmfrontniederschlag komplett als Schnee fällt, funktioniert dieser Prozess im Flachland nicht so gut und höchstens vorübergehend.

Bukarest am 01.Dezember 2010

Der Sondenaufstieg zeigt oberhalb 900 hPa eine ausgesprochen mächtige Warmluftschicht mit 35 Knoten Südwestwind, darunter aber eine ebenso mächtige Kaltluftschicht mit immerhin 25 Knoten Nordostwind (in Emden nur 5 Kn), d.h. spürbare Kaltluftadvektion. Die Kaltluft wurde dabei um den Karpatenbogen nach Süden, später Südwesten, gelenkt.  Der Gehalt an niederschlagbaren Wasser (PWAT) war mit 23 mm wesentlich höher als im Emden-Fall (15 mm).

Die besondere Geographie Rumäniens machte starken Glatteisregen mit Eispanzerbildung auf Bäumen, Sträuchern, Fahrbahnen und Stromleitungen mit Schäden möglich. Strommasten kippten um und sorgten für Stromausfälle, auch der Zugverkehr kam teilweise zum Erliegen, weil Bäume der Eislast nicht standhielten und auf die Gleise kippten.

4.4 Gefrierendes Nieseln aus Hochnebel

Wesentlich häufiger, nicht ungefährlich, aber ohne Eislast an Stromleitungen vollzieht sich gefrierender Regen bei einer Hochdrucklage. Voraussetzung hierfür ist genügend unterkühltes Wolkenwasser, also eine Nebel- oder Hochnebelschicht. Entweder wird die Hochnebelschicht durch einen herannahenden Trog oder Kaltlufttropfen gehoben und/oder die vertikale Windscherung nimmt zu. Im ersten Fall wird die Wolkenschicht ausgepresst und nieselt aus, in letzterem Fall werden Kelvin-Helmholtz-Wellen angeregt, die für Ausnieseln sorgen.

München, 19. November 2001

Im gezeigten Fall herrschte bodennah Hochdruckeinfluss, während sich darüber ausgedehntes tiefes Geopotential schob, das für eine Anhebung der Wolkenschicht sorgte.

Die Temperatur befindet sich durchwegs im negativen Bereich, wobei unterhalb rund 1000 m eine gesättigte Luftschicht mit unterkühltem Wolkenwasser vorlag. Die Windscherung war äußerst schwach bzw. nicht gegeben, weswegen die angesprochenen Kelvin-Helmholtz-Wellen als Trigger nahezu ausgeschlossen sind.

4.5 Gefrierendes Nieseln nach Kaltfrontdurchgang

Entscheidend für die Bildung von gefrierendem Niederschlag ohne Plusgrade in der Höhe ist das völlige Fehlen der Eiswolken, also Eiskristalle oder Schneeflocken, an die sich die unterkühlten Wolkentropfen anlagern könnten, um dann als Schnee auszufallen.

München am 16.Dezember 2018

Im gezeigten Beispiel zog eine okkludierende Front über die Nordalpen hinweg. Im warmaktiven Teil fiel durchwegs Schnee, erst mit dem kaltaktiven Teil, als sich in der Höhe trockene Luft darüberschob und die Eisphase entfernte, kamen gefrierende Regen- und Nieselschauer. Bis rund 2500m blieb die Luft gesättigt, aber durchwegs negativ. Günstig für gefrierendes Nieseln bei vollständig negativer Schichtung ist der Temperaturbereich zwischen -1 und -10°C.

Skizze von Marco Puckert, DWD:

Ich habe eine Schicht eingezeichnet, in der die Temperaturen über 0 Grad liegen. Diese Schicht schiebt sich nun von links nach rechts in die Frostluft hinein und gleichzeitig fällt Schnee von oben herab in diese Schicht. Von rechts nach links wird diese Schicht (Aufgleiten) immer dicker. Ganz rechts fällt der Schnee bis zum Boden, weiter links schließt sich eine Zone mit Eiskörnern an, weil die bodennahe Kaltluftschicht dick genug ist, damit die unterkühlten Tropfen (sie weisen Werte unter 0 Grad auf) wieder gefrieren können und zu „Eiskörnern“ werden. Noch weiter links fällt dann nur noch flüssiger „gefriereder Regen“ (auch etwas missverständlich als „Eisregen“ bezeichnet) . Ganz links hat sich dann die Warmluft zum Boden durchgesetzt, es herrscht Tauwetter und es regnet ohne Eisbildung am Erdboden.

Quelle: http://www.wetter-express.de/Artikel/winterniederschlag01.htm